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现代控制理论讲义(2.5-7)
2-5 系统状态方程的线性变换 2-5-1 系统状态空间表达式的非唯一性 回顾前面几节有关系统动态方程建立的过程,无论是从实际物理系统出发,还是从系统方块图出发,还是从系统微分方程或传递函数出发,在状态变量的选取方面都带有很大的人为的随意性,因而求得的系统的状态方程也有很大的人为因素,很大的随意性,因此会得出不同的系统状态方程。实际物理系统虽然结构不可能变化,但不同的状态变量取法就产生不同的动态方程;系统方块图在取状态变量之前需要进行等效变换,而等效变换过程就有很大程度上的随意性,因此会产生一定程度上的结构差异,这也会导致动态方程差异的产生;从系统微分方程或传递函数出发的系统实现问题,更是会导致迥然不同的系统内部结构的产生,因而也肯定产生不同的动态方程。所以说系统动态方程是非唯一的。 但虽然同一实际物理系统,或者同一方块图,或同一传递函数所产生的动态方程各种各样,其独立的状态变量的个数是相同的,而且各种不同动态方程间也是有一定联系的,这种联系就是变量间的线性变换关系。 例如图2-8所示的传递函数的直接法实现,按照图上所示各状态变量的取法,我们有(2-24)式所示动态方程。如果我们将各变量次序颠倒,即令: 即取: 将代入(2-24)动态方程,我们有: 因此有: 上式与(2-25)相同。也就是说(2-24)与(2-25)代表的动态方程是一种线性变换的关系。 进一步,由于上述非奇异的变换矩阵T可以有无数种,所以系统的动态方程也有无数种。 2-5-2 转化为对角标准型 虽然通过非奇异的线性变换,可以求出无数种系统的动态方程,但是有几种标准型对我们特别有用,如可控标准型、可观标准型、对角标准型和约当标准型。在本章,我们先讨论对角型和约当型。 设某系统的动态方程为: ………………………………………………………………(2-34) 其中系统矩阵A有n个不相等的特征根λi(i=1,2,3,…n),相应地有n个不相等的特征向量mi(i=1,2,3…n),所以有矩阵A的特征矩阵(模态矩阵): : 所以,我们对原系统(2-34)作下列线形变换:(2-34)式,我们有: …………………………………………………(2-35) ……………………………………………………(2-36) 2-34)化为(2-35)所示对角型,只要系统矩阵A的n个不等的特征根λii=1,2,……n)已求出,A′和D′就可以直接写出,但要求出B′和C′,还需根据矩阵论中的知识求出矩阵M及其逆矩阵 M-12-36)式求得。 2-10】 已知某系统的动态方程为: 解:系统特征方程为: 有三个不等的特征根。特征向量满足下列条件: 所以对 取m11=1,得λ1对应的特征向量m1为: 同理可得:, 所以: 所以系统的对角标准型为: MATLAB中有一函数canon(A,B,C,D,_mod_)可以将(2-34)所示系统直接转化为对角型。运行结果返回As,Bs,Cs,Ds为对角型,返回的Ts表示所作的线性变换。但注意,这个变换公式为:Z=TSXX=MZ。也就是说,这与(2-36)式有所区别。 2-13 模拟结构图 MATLAB源程序如下: %Example 2-10 A=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6]; B=[1;0;0]; C=[1 1 0]; D=0; [As,Bs,Cs,Ds,Ts]=canon(A,B,C,D,mod) T=inv([1 1 1;-1 -2 -3;1 4 9]); [At,Bt,Ct,Dt]=ss2ss(A,B,C,D,T) end MATLAB程序运行结果如下: As = -1.0000 0 0 0 -2.0000 0 0 0 -3.0000 Bs = -5.1962 -13.7477 -9.5394 Cs = 0.0000 -0.2182 0.2097 Ds = 0 Ts = -5.1962 -4.3301 -0.8660 -13.7477 -18.3303 -4.5826 -9.5394 -14.3091 -4.7697 At = -1.0000 -0.0000 -0.0000 0.0000 -2.0000 0.0000 -0.0000 -0.0000 -3.0000 Bt = 3.0000 -3.0000 1.0000 Ct = -0.0000 -1.0000 -2.0000 Dt = 0 上述结果表明,同样将系统矩阵A变换为标准对角型,其变换矩阵也是非唯一的,实际上是有无数种的。这无数种变换矩阵不会改变(2-36)中A’的对角型形式,只改变B’和C’的结果。 所以我们有时对另一种形式的标准对角型状态空间表达式感兴趣,它的系统矩阵A’与(2-36)一样,而且进一步,B’也有标准的形式(1,1,…,1)
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